KR20180066775A - Apparatus and control method for Lithium air battery - Google Patents

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손삼익
송종찬
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현대자동차주식회사
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Abstract

The present invention relates to a lithium air battery apparatus and a control method thereof. The lithium air battery apparatus for increasing battery performance comprises: a battery cell including a positive electrode using air as an active material, a negative electrode made of lithium metal, a separation film interposed between the positive electrode and the negative electrode, and electrolyte for ion conduction and having an air inlet and an air outlet; and an air supplier connected to the battery cell through the air inlet, supplying air into the battery cell through the air inlet when discharging the battery cell, and discontinuing air supply into the battery when charging the battery cell.

Description

리튬-공기 배터리 장치 및 제어 방법{Apparatus and control method for Lithium air battery}[0001] Lithium-air battery device and control method [0002]

본 발명은 리튬-공기 배터리 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 셀의 내부로 공급되는 공기의 공급량과 공급 압력을 조절하여 배터리의 성능을 개선할 수 있는 리튬-공기 배터리 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a lithium-air battery device and a control method thereof, and more particularly, to a lithium-air battery device and a control method thereof capable of improving the performance of a battery by regulating a supply amount and a supply pressure of air supplied into the battery cell. ≪ / RTI >

일반적으로, 고 에너지 밀도와 저가격이 가능한 차세대 배터리로 금속-공기 배터리가 있으며, 금속-공기 배터리의 종류에는 아연-공기 배터리, 리튬-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리, 마그네슘-공기 배터리, 나트륨-공기 배터리가 있다.Typically, there are metal-air batteries with a high energy density and low price, next-generation batteries are metal-air batteries, and metal-air batteries include zinc-air batteries, lithium-air batteries, aluminum-air batteries, magnesium- There is a battery.

이러한 아연-공기 배터리의 경우 1차 전지로 상용화되어 군용 통신기기나 소형 보청기 등에 사용되고 있으며, 또한 리튬-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리 및 나트륨-공기 배터리는 충전이 가능한 이차전지 형태로 상용화하기 위해서 활발한 연구가 진행 중이다. Such a zinc-air battery is commercialized as a primary battery and used for military communication devices and small hearing aids. In addition, a lithium-air battery, an aluminum-air battery, and a sodium- Research is underway.

여기서, 리튬-공기 배터리는 방전 시에는 배터리 셀 내부의 공기 공급량과 공기 분압이 낮을수록 방전 반응이 감소되고, 또한 충전 시에는 Li2O2(peroxide)가 분해되어 공기를 발생시키는 반응으로 인하여 배터리 셀 내부의 공기 분압이 높은 경우 반응 속도가 낮아지게 된다.Here, in the lithium-air battery, the discharge reaction is reduced as the air supply amount and the air partial pressure inside the battery cell are lowered during discharging, and Li 2 O 2 (peroxide) When the partial pressure of air inside the cell is high, the reaction rate becomes low.

따라서, 리튬-공기 배터리는 방전 시에는 고압/다량의 공기를 배터리 셀에 공급하도록 하고, 충전 시에는 배터리 셀 내부의 공기 분압을 낮춰 전지 반응의 반응량과 반응 속도가 유리하게 되도록 하는 것이 중요하다.
Therefore, it is important to allow the lithium-air battery to supply a high pressure / a large amount of air to the battery cell during discharging, and to lower the air partial pressure in the battery cell during charging, so that the reaction amount and reaction speed of the battery reaction are advantageous .

대한민국공개특허공보 제10-2013-0112315호(2013.10.14.)Korean Patent Publication No. 10-2013-0112315 (October 14, 2013).

본 발명의 목적은, 방전 시에는 배터리 셀의 내부로 공기가 유입되도록 함과 동시에 공기 유출을 차단하여 배터리 셀 내부의 공기 분압이 높아지도록 하고, 충전 시에는 배터리 셀의 내부로의 공기 유입을 차단함과 동시에 공기 유출은 최대로 하여 배터리의 충방전 상태에 따라 배터리 셀 내부로의 공기 공급량 및 유출량을 선택적으로 조절함으로써, 배터리 셀의 내부에서 충방전 반응이 촉진되도록 할 수 있고, 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 리튬-공기 배터리 장치 및 제어 방법을 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to allow air to flow into a battery cell at the time of discharging and at the same time to shut off air flow so that the air partial pressure inside the battery cell becomes high, And at the same time, the air outflow is maximized, so that the charge and discharge reaction can be promoted inside the battery cell by selectively controlling the air supply amount and the discharge amount to the inside of the battery cell according to the charge / discharge state of the battery, And to provide a lithium-air battery device and a control method that can improve the performance of the lithium-ion battery.

본 발명에 따른 리튬-공기 배터리 장치는 공기를 활물질로 이용하는 양극과, 리튬금속인 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막 및 이온 전도를 위한 전해질을 포함하고, 공기 유입구 및 공기 배출구를 구비하는 배터리 셀 및 상기 공기 유입구를 통해 상기 배터리 셀과 연결되며, 상기 배터리 셀의 방전 시 상기 공기 유입구를 통해 상기 배터리 셀의 내부로 공기를 공급하고, 상기 배터리 셀의 충전 시에는 상기 배터리 셀 내부로의 공기 공급이 중단되도록 하는 공기 공급기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The lithium-air battery device according to the present invention includes a cathode using air as an active material, a cathode made of lithium metal, a separator interposed between the anode and the cathode, and an electrolyte for ion conduction, and has an air inlet and an air outlet Wherein the battery cell is connected to the battery cell through the air inlet and supplies air to the inside of the battery cell through the air inlet when the battery cell discharges, So that the air supply of the air supply unit is interrupted.

여기서, 상기 공기 유입구는 상기 공기 공급기의 공기가 상기 배터리 셀에 선택적으로 공급되도록 내부에 제1밸브를 구비하고, 상기 공기 유출구는 상기 배터리 셀 내부의 공기가 선택적으로 외부로 배출되도록 제2밸브를 구비한다.The air inlet has a first valve therein so that the air of the air supplier is selectively supplied to the battery cell, and the air outlet opens the second valve so that air in the battery cell is selectively discharged to the outside. Respectively.

그리고, 본 발명에 따른 리튬-공기 배터리 장치는 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브와 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀의 SOC 정보에 따라 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브가 차단 또는 개방되도록 하며, 상기 배터리 셀 내부로 유입되는 공기 공급량 및 상기 배터리 셀의 공기 분압을 조절하는 제어부를 더 포함한다.The lithium-air battery device according to the present invention is electrically connected to the first valve and the second valve, and the first valve and the second valve are opened or closed according to SOC information of the battery cell And a control unit for controlling an air supply amount flowing into the battery cell and an air partial pressure of the battery cell.

이러한 상기 제어부는 상기 배터리 셀의 방전 시에는 상기 제1밸브는 개방되고 상기 제2밸브는 차단되도록 제어하며, 상기 배터리 셀의 충전 시에는 상기 제1밸브는 차단되고 상기 제2밸브는 개방되도록 제어한다.The controller controls the first valve to be opened and the second valve to be closed when the battery cell is discharged, and the first valve is closed and the second valve is opened when the battery cell is charged. do.

한편, 본 발명에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법은 배터리 셀의 SOC 정보를 수집하는 제1단계와 상기 SOC 정보가 기설정된 SOC 정상범위 내에 존재하는지 판단하는 제2단계와 상기 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하는 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀의 방전을 위하여 상기 배터리 셀 내부로 유입되는 공기 공급량 및 상기 배터리 셀의 공기 분압을 제어하는 제3단계 및 상기 배터리 셀의 방전 용량을 기설정된 기준 용량과 비교하여 방전 용량이 기준 용량 보다 큰 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀 내부로의 공기 유입 및 상기 배터리 셀 내부의 공기 유출을 차단하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method includes a first step of collecting SOC information of a battery cell, a second step of determining whether the SOC information is within a predetermined SOC normal range, a second step of determining whether the SOC information is within a normal SOC range, A third step of controlling an air supply amount flowing into the battery cell and an air partial pressure of the battery cell to discharge the battery cell, and a third step of comparing the discharge capacity of the battery cell with a preset reference capacity And a fourth step of blocking air inflow into the battery cell and air outflow in the battery cell when it is determined that the discharge capacity is larger than the reference capacity.

여기서, 상기 제3단계는 상기 배터리 셀 내부에 2 ~ 50 cc/min의 공급량으로 공기를 공급한다.In the third step, air is supplied into the battery cell at a supply rate of 2 to 50 cc / min.

또한, 상기 제3단계는 상기 배터리 셀의 내부로 공기를 공급하여 상기 배터리 셀의 공기 분압이 2 ~ 10bar가 되도록 제어한다.In the third step, air is supplied into the battery cell to control the air partial pressure of the battery cell to be 2 to 10 bar.

또한, 상기 제3단계는 상기 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하지 않는 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀 내부로 유입되는 공기의 공급을 차단하고, 상기 배터리 셀 내부의 공기 유출을 최대로 하여 상기 배터리 셀의 충전이 이루어지도록 한다.
If it is determined that the SOC information does not exist within the normal SOC range, the third step is to block the supply of air to the inside of the battery cell, maximize air outflow in the battery cell, To be charged.

본 발명은, 방전 시에는 배터리 셀의 내부로 공기가 유입되도록 함과 동시에 공기 유출을 차단하여 배터리 셀 내부의 공기 분압이 높아지도록 하고, 충전 시에는 배터리 셀의 내부로의 공기 유입을 차단함과 동시에 공기 유출은 최대로 하여 배터리의 충방전 상태에 따라 배터리 셀 내부로의 공기 공급량 및 유출량을 선택적으로 조절함으로써, 배터리 셀의 내부에서 충방전 반응이 촉진되도록 할 수 있고, 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
In the present invention, air is introduced into the battery cell at the time of discharging, and at the same time, the air flow is blocked to increase the air partial pressure inside the battery cell, and the inflow of air into the battery cell is blocked at the time of charging At the same time, the air outflow is maximized and the amount of air supplied and the amount of outflow into the battery cell are selectively controlled according to the charge / discharge state of the battery, so that the charging / discharging reaction can be promoted inside the battery cell, .

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬-공기 배터리 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법을 순차적으로 보여주는 도면이다
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법에 대한 방전 시 제어 로직을 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법에 대한 방전 시 고압에서의 방전 용량 증가를 보여주는 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법에 대한 충전 제어 로직을 보여주는 도면이다.1 is a schematic view of a lithium-air battery apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view sequentially showing a lithium-air battery control method according to another embodiment of the present invention
FIG. 3 is a view showing control logic in discharging for a lithium-air battery control method according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing an increase in discharge capacity at a high pressure during discharge for a lithium-air battery control method according to another embodiment of the present invention. FIG.
5 is a diagram illustrating charge control logic for a lithium-air battery control method according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving it will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.It should be understood, however, that the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬-공기 배터리 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a schematic view of a lithium-air battery apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 장치는 배터리 셀(100) 및 공기 공급기(200)를 포함한다.1, the lithium-air battery apparatus according to the present embodiment includes a battery cell 100 and an air supplier 200. The lithium-

배터리 셀(100)은 공기를 활물질로 이용하는 양극과, 리튬금속으로 형성된 음극, 이러한 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막 및 이온 전도를 위한 전해질을 포함하고, 공기 유입구(10) 및 공기 배출구(20)를 구비한다.The battery cell 100 includes an anode using air as an active material, a cathode formed of lithium metal, a separator interposed between the anode and the cathode, and an electrolyte for ion conduction, and the air inlet 10 and the air outlet 20, Respectively.

즉, 배터리 셀(100)은 일반적으로 리튬-공기 배터리에 포함되는 구성으로서, 방전 시 음극(anode)의 리튬금속으로부터 방출된 리튬 양이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 리튬 양이온은 대기로부터 공급된 공기 중 산소와 산화반응하여 리튬산화물(Li2O 또는 Li2O2)을 생성하며, 전자가 전기회로를 통해 음극에서 양극으로 이동한다.That is, the battery cell 100 is generally comprised of a lithium-air battery. Lithium ions released from the lithium metal of the anode at the time of discharging move to the anode through the electrolyte, and lithium cations at the anode are discharged from the atmosphere Oxidation with oxygen in the supplied air produces lithium oxide (Li 2 O or Li 2 O 2 ), and electrons move from the cathode to the anode through the electric circuit.

[반응식][Reaction Scheme]

Li → Li＋＋ e－ (anode reaction)Li → Li + + e - (anode reaction)

O2 ＋ 2e－＋ 2Li＋ → Li2O2 (cathode reaction)O 2 + 2e - + 2Li + - > Li 2 O 2 (cathode reaction)

O2 ＋ 4e－＋ 4Li＋ → 2Li2O (cathode reaction)O 2 + 4e - + 4Li + - > 2Li 2 O (cathode reaction)

상기의 [반응식]에서 알 수 있듯이, 리튬-공기 배터리가 에너지 저장장치로 적용될 경우 리튬-공기 배터리의 성능을 극대화하기 위해 일정한 산소의 공급이 중요한 요소로 작용하게 된다.As can be seen from the above reaction scheme, when a lithium-air battery is applied as an energy storage device, a constant oxygen supply is an important factor to maximize the performance of a lithium-air battery.

하지만, 리튬-공기 배터리의 경우 방전 시에는 산소 공급량이 클수록 방전 반응이 증가되는 반면, 충전 반응의 경우 Li2O2가 분해되고 산소를 발생시키는 반응으로 인하여 배터리 셀(100) 내부의 산소 압력이 높아지게 되면서 반응 속도가 저하되게 된다.However, in the case of the lithium-air battery, the discharge reaction is increased as the oxygen supply amount is increased in the discharge, while in the case of the charge reaction, the oxygen pressure inside the battery cell 100 due to the decomposition of Li 2 O 2 , The reaction speed is lowered.

따라서, 리튬-공기 배터리는 방전 시 고압/다량의 산소를 배터리 셀(100)에 공급하고, 충전 시 배터리 셀(100) 내부의 압력을 낮추도록 하는 것이 리튬-공기 배터리의 반응량과 반응 속도에 유리할 수 있다.Therefore, it is desirable that the lithium-air battery supply a high-pressure / high-volume oxygen to the battery cell 100 at the time of discharging and lower the pressure inside the battery cell 100 at the time of charging, Can be advantageous.

이를 위해, 본 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 장치는 별도의 공기 공급기(200)를 구비하여 방전 시 배터리 셀(100) 내부로 산소가 공급되도록 하고, 충전 시에는 배터리 셀(100) 내부로의 산소 공급이 차단되도록 한다.To this end, the lithium-air battery apparatus according to the present embodiment includes a separate air supplier 200 to supply oxygen into the battery cell 100 during discharging, and to supply oxygen into the battery cell 100 during charging. So that the oxygen supply is interrupted.

다시 말해, 공기 공급기(200)는 공기 유입구(10)를 통해 배터리 셀(100)과 연결되며, 배터리 셀(100)의 방전 시 공기 유입구(10)가 개방되도록 하여 배터리 셀(100)의 내부로 공기를 공급하고, 배터리 셀(100)의 충전 시 공기 유입구(10)를 차단하여 배터리 셀(100) 내부로의 공기 공급이 중단되도록 한다.In other words, the air supplier 200 is connected to the battery cell 100 through the air inlet 10 and allows the air inlet 10 to be opened when the battery cell 100 is discharged to the inside of the battery cell 100 Air is supplied and the air inlet 10 is shut off when the battery cell 100 is charged, thereby stopping air supply to the inside of the battery cell 100.

여기서, 공기 유입구(10)는 공기 공급기(200)의 공기가 배터리 셀(100)에 선택적으로 공급되도록 배터리 셀(100) 일측에 설치되는 제1밸브(12)를 구비한다.The air inlet 10 has a first valve 12 installed at one side of the battery cell 100 so that the air of the air supplier 200 is selectively supplied to the battery cell 100.

또한, 공기 유출구(20)는 배터리 셀(100) 내부의 공기가 선택적으로 외부로 배출되도록 배터리 셀(100)의 타측에 설치되는 제2밸브(22)를 구비한다.The air outlet 20 has a second valve 22 installed on the other side of the battery cell 100 so that the air inside the battery cell 100 is selectively discharged to the outside.

상기와 같은 제1밸브(12) 및 제2밸브(22)의 개폐를 충전 시 또는 방전 시에 따라 선택적으로 제어할 수 있도록 본 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 장치는 제어부(300)를 더 포함한다.The lithium-air battery apparatus according to the present embodiment may further include a controller 300 to selectively control the opening and closing of the first valve 12 and the second valve 22 according to charging or discharging. do.

제어부(300)는 제1밸브(12) 및 제2밸브(22)와 전기적으로 연결되고, 배터리 셀(100)의 SOC(State of Charge) 정보에 따라 제1밸브(12) 및 제2밸브(22)가 차단 또는 개방되도록 한다,The control unit 300 is electrically connected to the first valve 12 and the second valve 22 and controls the first valve 12 and the second valve 22 according to SOC (State of Charge) 22 is blocked or opened,

그에 따라, 제어부(300)는 제1밸브(12) 및 제2밸브(22)를 충, 방전 조건에 따라 제어하여 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기 공급량 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압이 조절되도록 한다.The control unit 300 controls the first valve 12 and the second valve 22 according to the charging and discharging conditions to regulate the amount of air supplied into the battery cell 100 and the air inside the battery cell 100 Allow the partial pressure to be adjusted.

더 자세하게는, 제어부(300)는 배터리 셀(100)의 방전 시에는 제1밸브(12)는 개방되고 제2밸브(22)는 차단되도록 제어하며, 배터리 셀(100)의 충전 시에는 제1밸브(12)는 차단되고 제2밸브(22)는 개방되도록 제어한다.More specifically, when the battery cell 100 is discharged, the controller 300 controls the first valve 12 to be opened and the second valve 22 to be closed. When the battery cell 100 is charged, The valve 12 is shut off and the second valve 22 is controlled to be open.

이는, 배터리 셀(100) 방전 시에는 제1밸브(12)를 개방하여 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기의 유량을 증가시킴과 동시에 제2밸브(22)를 차단하여 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압이 높아지도록 하고, 또한 배터리 셀(100)의 충전 시에는 제1밸브(12)를 차단하여 배터리 셀(100) 내부로 공기 공급기(100)에 저장된 공기가 유입되지 않도록 한 상태에서 제2밸브(22)를 개방하여 배터리 셀(100) 내부의 공기 유량과 공기 분압이 낮아지도록 하며, 결과적으로는 상기와 같은 제어를 통해 리튬-공기 배터리의 충, 방전에 따른 반응량과 반응 속도를 향상시키기 위함이다.
When the battery cell 100 is discharged, the first valve 12 is opened to increase the flow rate of the air flowing into the battery cell 100, and at the same time, the second valve 22 is blocked, The air in the air supply unit 100 is prevented from flowing into the battery cell 100 by shutting off the first valve 12 when the battery cell 100 is charged, The second valve 22 is opened so that the air flow rate and the air partial pressure within the battery cell 100 are lowered. As a result, through the above-described control, the reaction amount and the reaction rate due to charging and discharging of the lithium- .

이하, 도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법을 순차적으로 보여주는 도면이고, 도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법에 대한 방전 시 제어 로직을 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for controlling a lithium-air battery according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a flowchart illustrating a control method of a lithium-air battery control method according to another exemplary embodiment of the present invention. Fig.

또한, 도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법에 대한 방전 시 고압에서의 방전 용량 증가를 보여주는 그래프이며, 도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법에 대한 충전 제어 로직을 보여주는 도면이다.4 is a graph showing an increase in discharge capacity at a high pressure during discharge for a lithium-air battery control method according to another embodiment of the present invention. Charge control logic for the method.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 리튬-공기 배터리 제어 방법을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.As shown in FIGS. 2 and 3, the lithium-air battery control method according to the present embodiment will be sequentially described below.

먼저, 배터리 셀(100)의 SOC 정보를 수집한다(S100).First, the SOC information of the battery cell 100 is collected (S100).

이어서, SOC 정보 수집 단계(S100)에서 수집된 SOC 정보가 기설정된 SOC 정상범위 내에 존재하는지 판단한다(S200).Next, it is determined whether the SOC information collected in the SOC information collection step S100 exists within the predetermined SOC normal range (S200).

여기서, 기설정된 SOC 정상범위는 수집된 SOC가 낮아 배터리 셀(100)에 대한 충전이 필요한 상태의 범위로 설정되며, 예를 들어 수집된 SOC가 SOC 정상범위 내에 존재하지 않으면, 배터리 셀(100)에 대한 충전 로직이 수행되도록 설정된다.If the collected SOC is not within the normal range of the SOC, for example, the battery cell 100 is charged to the battery cell 100, Lt; / RTI > is set to be performed.

만일, SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하는 것으로 판단되면(S200), 배터리 셀(100)의 방전을 위하여 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기 공급량 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압을 제어한다(S300).If it is determined that the SOC information is within the SOC normal range (S200), the air supply amount flowing into the battery cell 100 and the air partial pressure of the air inside the battery cell 100 for discharging the battery cell 100 are controlled (S300).

즉, 상기와 같이 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하는 것으로 판단되면, 제어부(300)는 과전압 예방을 위하여 제1밸브(12)를 제어하여 공기 유입구(10)를 차단하고, 그에 따라 배터리 셀(100) 내부로의 공기 유입을 차단한다(S210).That is, if it is determined that the SOC information is within the normal range of the SOC, the controller 300 controls the first valve 12 to block the air inlet 10 to prevent the overvoltage, 100 from the air inlet (S210).

이후, 배터리 셀(100)과 외부부하 장치를 연결하고, 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기 공급량 및 배터리 셀 내부의 공기 분압을 제어한다.Then, the battery cell 100 and the external load device are connected to control the air supply amount flowing into the battery cell 100 and the air partial pressure of the air inside the battery cell.

다시 말해, 제어부(300)는 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하는 것으로 판단되면, 제1밸브(12)를 개방하여 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기 공급량을 조절하고, 제2밸브(22)를 차단하여 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압이 높아지도록 한다.In other words, when it is determined that the SOC information is within the SOC normal range, the controller 300 controls the amount of air supplied into the battery cell 100 by opening the first valve 12, So that the air partial pressure inside the battery cell 100 is increased.

여기서, 과전압 예방을 위하여 공기 유입구(10)를 차단한 상태에서 상기와 같이 제1밸브(12)의 개방을 통해 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기의 공급량은 약 2 ~ 50 cc/min으로 설정되는 것이 바람직하다.Here, in order to prevent the overvoltage, the supply amount of air introduced into the battery cell 100 through the opening of the first valve 12 is about 2 to 50 cc / min as described above with the air inlet 10 being shut off .

이는, 일반적으로 리튬-공기 배터리의 경우 2 mA/cm2의 전류 밀도를 가하는 경우 0.02 cc/min의 산소가 필요한데, 대기 중의 산소 농도 20%를 감안하면, 0.1 cc/min의 공기를 시스템으로 유입시켜야 하므로, 5배 정도의 산소 과공급을 설계에 반영하면 0.5 cc/min의 유량이 필요하기 때문이며, 상기와 같은 조건은 전류밀도 10 ~ 100 mA/cm2의 상태까지 감안한 공기 유량 조건이다In general, a lithium-air battery requires 0.02 cc / min of oxygen when a current density of 2 mA / cm 2 is applied. Considering the oxygen concentration of 20% in the atmosphere, 0.1 cc / Therefore, the flow rate of 0.5 cc / min is required when 5 times of oxygen and supply are reflected in the design, and the above conditions are the air flow rate conditions considering the current density of 10 to 100 mA / cm 2

이는, 리튬-공기 배터리의 경우 방전 시에는 공기의 공급량이 많을수록 반응 참여물질의 농도를 높일 수 있어 반응이 촉진되도록 할 수는 있으나, 과다한 공기 공급량은 공기 공급기(200)의 용량 설계에 부담을 줄 수 있기 때문에, 상기와 같은 소정의 공급량을 통해 공기 공급기(200) 용량에 따른 설계 부담을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.This is because, in the case of a lithium-air battery, the greater the amount of air supplied during discharging, the higher the concentration of the reaction-participating substance can be promoted so that the reaction can be promoted. However, the excessive air supply amount does not burden the capacity design of the air supply device 200 So that the design burden according to the capacity of the air supplier 200 can be reduced through the predetermined supply amount as described above.

또한, 본 실시예에서는 상기와 같이 공기가 공급되는 경우 제2밸브(22)의 개방을 차단하여 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압이 약 2 ~ 10bar가 되도록 하는 것이 바람직하다.Also, in this embodiment, when the air is supplied as described above, it is preferable that the opening of the second valve 22 is cut off so that the partial pressure of air inside the battery cell 100 becomes about 2 to 10 bar.

여기서, 방전 반응 시에는 산소 분압이 높을수록 화학 반응은 유리하게 되며, 또한 전지 내부 극판, 분리막 등의 구조물 붕괴를 방지하기 위하여 공기 분압을 상기 와 같이 약 10bar 제한되도록 하는 것이 바람직하다.Here, in the discharge reaction, the higher the oxygen partial pressure is, the more favorable the chemical reaction is, and the partial pressure of air is preferably limited to about 10 bar in order to prevent the structure collapse of the inner electrode plate, the separator and the like.

배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공급의 공급량 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압이 상기와 같이 설정된 값으로 조절된 상태에서, 배터리 셀(100) 내부의 방전 용량을 측정하여 만일 기설정된 기준 용량 보다 큰 것으로 판단되면(S310), 배터리 셀(100)에 대한 방전을 종료하고(S320), 배터리 셀(100) 내부로의 공기 유입 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 유출을 차단한다(S400).The discharge capacity in the battery cell 100 is measured in a state where the supply amount of the supply flowing into the battery cell 100 and the air partial pressure of the air inside the battery cell 100 are adjusted to the values set as described above, (S310), the discharging of the battery cell 100 is terminated (S320), and the inflow of air into the battery cell 100 and the air outflow of the battery cell 100 are blocked (S400 ).

상기와 같이 배터리 셀(100)의 방전 시 배터리 셀(100) 내부로의 공기 공급량을 높이고, 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압이 높아지도록 하면, 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 셀(100)의 방전 용량이 약 1.5bar의 공기 분압을 가지는 종래의 배터리 셀(100)의 방전 용량 보다 증가된 것을 확인할 수 있다.
4, when the battery cell 100 is discharged, the amount of air supplied into the battery cell 100 is increased and the air partial pressure inside the battery cell 100 is increased. As a result, The discharge capacity of the conventional battery cell 100 having an air partial pressure of about 1.5 bar is increased.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하지 않는 것으로 판단되면(S200), 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기의 공급을 차단하고, 배터리 셀(100) 내부의 공기 유출을 최대로 하여 배터리 셀(100)의 충전이 이루어지도록 한다(S220).5, when it is determined that the SOC information does not exist within the SOC normal range (S200), the supply of air to the inside of the battery cell 100 is cut off, and the air inside the battery cell 100 So that the battery cell 100 is fully charged (S220).

즉, 배터리 셀(100)의 충전을 위해 제1밸브(12)를 제어하여 공기 유입구(10)를 통해 배터리 셀(100)의 내부로 유입되는 공기의 공급을 차단하고, 제2밸브(22)를 개방하여 공기 유출구(20)를 통한 배터리 셀(100) 내부의 공기 유출을 최대로 설정한 상태에서, 배터리 셀(100)로 정전류를 충전하고, 배터리 셀(100)에 인가되는 전압을 기준 전압과 비교한다(S222).That is, the first valve 12 is controlled to charge the battery cell 100 to shut off the supply of air to the interior of the battery cell 100 through the air inlet 10, The battery cell 100 is charged with the constant current and the voltage applied to the battery cell 100 is set to the reference voltage (S222).

여기서, 인가 전압이 기준 전압 크면, 배터리 셀(100)로 정전압을 충전하며, 배터리 셀(100)에 인가되는 인가 전류와 기준 전류를 비교하여(S224) 인가 전류가 기준 전류 보다 크면 배터리 셀(100)에 대한 충전이 종료되도록 한다(S226).If the applied voltage is greater than the reference voltage, the battery cell 100 is charged with a constant voltage, and the applied current to the battery cell 100 is compared with the reference current (S224). If the applied current is greater than the reference current, (S226).

배터리 셀(100)에 대한 충전이 종료되면, 배터리 셀(100)에 대한 방전 종료 시와 동일하게 배터리 셀(100) 내부로의 공기 유입 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 유출을 차단한다(S400).When the charging of the battery cell 100 is completed, the inflow of air into the battery cell 100 and the air outflow of the battery cell 100 are blocked in the same manner as when the discharge to the battery cell 100 is completed (S400 ).

결과적으로, 본 실시예에서는 배터리 셀(100)에 대한 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하지 판단하여 충전 또는 방전이 이루어지도록 하며, 또한 방전 시 배터리 셀(100) 내부로 유입되는 공기 공급량 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 분압을 제어하고, 충전 시 배터리 셀(100) 내부로의 공기 유입 및 배터리 셀(100) 내부의 공기 유출을 차단하도록 제어함으로써, 리튬-공기 배터리의 충,방전에 따른 반응량과 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
As a result, in this embodiment, it is determined that the SOC information for the battery cell 100 does not exist within the normal range of the SOC, so that charging or discharging is performed. Also, the amount of air supplied into the battery cell 100 during discharge, By controlling the air partial pressure of the air in the battery cell 100 and controlling the inflow of air into the battery cell 100 and the air leakage inside the battery cell 100 during charging, And the reaction rate can be improved.

본 발명은, 방전 시에는 배터리 셀의 내부로 공기가 유입되도록 함과 동시에 공기 유출을 차단하여 배터리 셀 내부의 공기 분압이 높아지도록 하고, 충전 시에는 배터리 셀의 내부로의 공기 유입을 차단함과 동시에 공기 유출은 최대로 하여 배터리의 충방전 상태에 따라 배터리 셀 내부로의 공기 공급량 및 유출량을 선택적으로 조절함으로써, 배터리 셀의 내부에서 충방전 반응이 촉진되도록 할 수 있고, 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
In the present invention, air is introduced into the battery cell at the time of discharging, and at the same time, the air flow is blocked to increase the air partial pressure inside the battery cell, and the inflow of air into the battery cell is blocked at the time of charging At the same time, the air outflow is maximized and the amount of air supplied and the amount of outflow into the battery cell are selectively controlled according to the charge / discharge state of the battery, so that the charging / discharging reaction can be promoted inside the battery cell, .

이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many modifications may be made thereto, It will be understood that all or some of the elements (s) may be optionally constructed in combination. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 공기 유입구 12 : 제1밸브
20 : 공기 유출구 22 : 제2밸브
100 : 배터리 셀 200 : 공기 공급기
300 : 제어부10: air inlet 12: first valve
20: air outlet 22: second valve
100: battery cell 200: air supply
300:

Claims (8)

공기를 활물질로 이용하는 양극과, 리튬금속인 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막 및 이온 전도를 위한 전해질을 포함하고, 공기 유입구 및 공기 배출구를 구비하는 배터리 셀; 및
상기 공기 유입구를 통해 상기 배터리 셀과 연결되며, 상기 배터리 셀의 방전 시 상기 공기 유입구를 통해 상기 배터리 셀의 내부로 공기를 공급하고, 상기 배터리 셀의 충전 시에는 상기 배터리 셀 내부로의 공기 공급이 중단되도록 하는 공기 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 장치.
A battery cell having an anode using air as an active material, a cathode made of lithium metal, a separator interposed between the anode and the cathode, and an electrolyte for ion conduction, and having an air inlet and an air outlet; And
Wherein the air supply port is connected to the battery cell through the air inlet and supplies air into the battery cell through the air inlet when the battery cell discharges, And an air supply for causing the lithium-air battery to be interrupted.
청구항 1에 있어서,
상기 공기 유입구는,
상기 공기 공급기의 공기가 상기 배터리 셀에 선택적으로 공급되도록 내부에 제1밸브를 구비하고,
상기 공기 유출구는, 상기 배터리 셀 내부의 공기가 선택적으로 외부로 배출되도록 제2밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 장치.
The method according to claim 1,
The air inlet
A first valve disposed inside the air supply unit to selectively supply air to the battery cell,
Wherein the air outlet includes a second valve so that air in the battery cell is selectively discharged to the outside.
청구항 2에 있어서,
상기 제1밸브 및 상기 제2밸브와 전기적으로 연결되고, 상기 배터리 셀의 SOC 정보에 따라 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브가 차단 또는 개방되도록 하며, 상기 배터리 셀 내부로 유입되는 공기 공급량 및 상기 배터리 셀의 공기 분압을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 장치.
The method of claim 2,
Wherein the first valve and the second valve are electrically connected to each other, and the first valve and the second valve are opened or closed according to the SOC information of the battery cell, Further comprising a control unit for controlling the air partial pressure of the battery cell.
청구항 3에 있어서,
상기 제어부는,
상기 배터리 셀의 방전 시에는 상기 제1밸브는 개방되고 상기 제2밸브는 차단되도록 제어하며, 상기 배터리 셀의 충전 시에는 상기 제1밸브는 차단되고 상기 제2밸브는 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 장치.
The method of claim 3,
Wherein,
Wherein the first valve is opened and the second valve is closed when the battery cell is discharged, and the first valve is closed and the second valve is opened when the battery cell is charged. A lithium-air battery device.
배터리 셀의 SOC 정보를 수집하는 제1단계;
상기 SOC 정보가 기설정된 SOC 정상범위 내에 존재하는지 판단하는 제2단계;
상기 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하는 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀의 방전을 위하여 상기 배터리 셀 내부로 유입되는 공기 공급량 및 상기 배터리 셀의 공기 분압을 제어하는 제3단계; 및
상기 배터리 셀의 방전 용량을 기설정된 기준 용량과 비교하여 방전 용량이 기준 용량 보다 큰 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀 내부로의 공기 유입 및 상기 배터리 셀 내부의 공기 유출을 차단하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 제어 방법.
A first step of collecting SOC information of a battery cell;
A second step of determining whether the SOC information is within a predetermined SOC normal range;
A third step of controlling the air supply amount flowing into the battery cell and the air partial pressure of the battery cell for discharging the battery cell if it is determined that the SOC information is within the SOC normal range; And
And a fourth step of comparing the discharge capacity of the battery cell with a predetermined reference capacity to prevent air inflow into the battery cell and air leakage inside the battery cell when it is determined that the discharge capacity is larger than the reference capacity Wherein the lithium-air battery control method comprises the steps of:
청구항 5에 있어서,
상기 제3단계는,
상기 배터리 셀 내부에 2 ~ 50 cc/min의 공급량으로 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 제어 방법.
The method of claim 5,
In the third step,
Wherein air is supplied into the battery cell at a supply rate of 2 to 50 cc / min.
청구항 5에 있어서,
상기 제3단계는,
상기 배터리 셀의 내부로 공기를 공급하여 상기 배터리 셀의 공기 분압이 2 ~ 10bar가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 제어 방법.
The method of claim 5,
In the third step,
Wherein the air is supplied to the inside of the battery cell to control the air partial pressure of the battery cell to be 2 to 10 bar.
청구항 5에 있어서,
상기 제3단계는,
상기 SOC 정보가 SOC 정상범위 내에 존재하지 않는 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀 내부로 유입되는 공기의 공급을 차단하고, 상기 배터리 셀 내부의 공기 유출을 최대로 하여 상기 배터리 셀의 충전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬-공기 배터리 제어 방법.The method of claim 5,
In the third step,
If it is determined that the SOC information does not exist within the normal range of the SOC, the supply of air to the inside of the battery cell is interrupted, and the air outflow in the battery cell is maximized to charge the battery cell Characterized in that the lithium-air battery control method.
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